新教材2023_2024学年高中物理第3章机械波第3节波的干涉和衍射课件鲁科版选择性必修第一册

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第3章第3节　波的干涉和衍射基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升学以致用·随堂检测全达标目录索引 1.了解波的叠加原理、掌握波的干涉现象及产生的条件。(科学思维)2.知道波的衍射现象和发生明显衍射的条件。(科学思维)3.能根据波的干涉条件、发生明显衍射的条件解释相关现象。(物理观念)基础落实·必备知识全过关一、波的叠加原理大量研究表明,几列波在介质中传播,相遇后仍能保持各自原有的运动特征(　　　　、　　　　、　　　　等)　　　　并继续传播,就像没有与其他波相遇过一样。在相遇的区域里,介质中的质点　　　　参加相遇的波列的振动,质点的位移　　　　相遇波列单独存在时在该处引起的位移的　　　　　　,这在物理学中称为波的叠加原理。 波长频率振幅不变同时等于矢量和二、波的干涉现象1.定义:振动频率和振动方向　　　　的两列波叠加后,振动加强和振动减弱的区域互相　　　　、稳定分布的现象。 2.干涉图样:波的干涉现象中所形成的图样,如图所示。相同间隔3.干涉条件:　　　　和振动方向相同的波。 4.一切波都能发生干涉,如水波、声波、电磁波等,干涉现象是波的重要特征之一。频率三、波的衍射现象1.定义:波绕过　　　　　　继续传播的现象。 2.发生明显衍射现象的条件障碍物或狭缝的尺寸跟　　　　相差不大,或者比波长更小。 3.一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。障碍物波长易错辨析判一判1.两列波叠加时,质点的总位移一定变大。(　　)2.波的干涉现象中,振动加强区域,介质质点的振幅随时间做周期性变化。(　　)3.闻其声而不见其人,说明声波能发生衍射现象。(　　)4.狭缝的宽度远大于水波的波长时,有明显的衍射现象。(　　)5.当障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不大时,可以发生明显的衍射现象。(　　)×总位移是两个位移的矢量和,所以叠加区域的质点的位移可能增大,也可能减小。×振动加强区域中介质质点的振幅等于两列波的振幅之和,不发生变化。√ ×√ 即学即用练一练两列波叠加时,关于介质中的任一质点的振动,下列说法正确的是(　　)A.它的周期一定是两个分振动周期之和B.它的频率一定是两个分振动频率之和C.它的振幅一定是两个分振动振幅之和D.它的位移一定是两个分振动位移之和D解析 两列波叠加时,振动的周期和频率不一定等于两者之和。例如,频率相同的两列波叠加,某点的振动频率可能等于每列波的频率,也可能不振动。某点的振幅可能等于两列波的振幅之和,也可能等于两列波的振幅之差,但位移一定是两个分振动的位移之和,故选D。重难探究·能力素养全提升探究一　对波的叠加、波的干涉现象的理解如图所示,操场中两根竖直杆上各有一个扬声器,接在同一扩音机上,一位同学沿着AB方向走来,他听到的声音会有什么变化?为什么?要点提示 声音忽强忽弱,因为声波发生了干涉现象。 1.波的叠加几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播,即各自的波长、频率、振幅等保持不变。2.波干涉的条件(1)波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。(2)波的干涉是有条件的,必须是两列波的频率相同、振动方向相同。如果两列波的频率不相等,在相遇的区域里不同时刻各质点叠加的结果都不相同,看不到稳定干涉图样。3.关于加强点(区)和减弱点(区)(1)加强点:在某些点两列波引起的振动始终加强,质点的振动最剧烈,振动的振幅等于两列波的振幅之和,即A=A1+A2,但其位移随时间发生周期性变化,某时刻的位移可以为0。(2)减弱点:在某些点两列波引起的振动始终相互削弱,质点振动的振幅等于两列波的振幅之差,即A=|A1-A2|。若两列波振幅相同,质点振动的合振幅就等于零。4.干涉图样及其特征(1)干涉图样:如图所示。(2)特征:①加强区和减弱区的位置固定不变,加强区始终加强,减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化);②加强区与减弱区互相间隔。例题1　波源S1和S2的振动方向相同,频率均为4 Hz,分别置于均匀介质中x轴上的O、A两点处,OA=2 m,如图所示。两波源产生的简谐横波沿x轴相向传播,波速为4 m/s。已知两波源振动的初始相位相同。求:(1)简谐横波的波长;(2)O、A间合振动振幅最小的点的位置。解析 (1)设简谐横波波长为λ,频率为f,则v=λf,代入已知数据得λ=1 m。(2)以O为坐标原点,设P为OA间的任意一点,其坐标为x,则两波源到P点的波程差Δl=x-(2-x)(0≤x≤2),其中x、Δl以m为单位。答案 (1)1 m　(2)见解析规律方法　振动加强点与减弱点的判断方法(1)理论判断法①设波源S1、S2振动情况完全相同,它们产生的两列波在同一介质中传播。对介质中的任一点P,如图离两波源距离分别是S1P、S2P,P点到波源的距离差Δx=S1P-S2P。a.当Δx=nλ(n=0,1,2,…)即距离差为波长的整数倍时,P点为振动加强点;b.当Δx=(2n+1) (n=0,1,2,…)即距离差为半个波长的奇数倍时,P点为振动减弱点;②若两列波波源振动步调相反,则上述结论反之即可。(2)现象判断法若某点总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为振动加强点;若总是波峰与波谷相遇,则该点为振动减弱点。针对训练1(多选)如图所示,两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇,图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示的是波谷,下列说法正确的是(　　)A.a、c两点的振动加强,b、d两点的振动减弱B.e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰AD 解析 a点是波谷和波谷相遇的点,c点是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点,是振动减弱的点,故选项A正确;e点位于加强点的连线上,为加强点,f点位于减弱点的连线上,为减弱点,故选项B错误;相干波源叠加产生的干涉是稳定的,不会随时间变化,故选项C错误;因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动,经半个周期步调相反,故选项D正确。探究二　对波的衍射现象的理解某次比赛中,评委隔着布幔或箱子做成的隔断倾听选手们的演奏。评委为什么可以隔着隔断听到优美的乐声呢?要点提示 这是声波的衍射现象。声波在传播过程中遇到障碍物时,可以绕过障碍物继续传播。1.衍射是波特有的现象(1)一切波都能发生衍射现象,只是有的明显,有的不明显。(2)波的直线传播只是在衍射不明显时的近似。(3)波长较长的波容易产生明显的衍射现象。2.产生明显衍射现象的条件障碍物或狭缝的尺寸跟波长差不多,或比波长小是产生明显衍射的条件。例题2　(多选)观察水面波衍射的实验装置如图所示,AC和BD是两块挡板,AB是一个孔,O是波源,图中已画出波源所在区域波的传播情况,每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长,则波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是(　　)A.此时能明显观察到波的衍射现象B.挡板前后波纹间距离相等C.如果将孔AB扩大,有可能观察不到明显的衍射现象D.如果孔的大小不变,使波源频率增大,能更明显地观察到衍射现象ABC 解析 从题图中可看出孔AB的尺寸小于一个波长,所以此时能明显地观察到波的衍射现象,选项A正确;因为穿过挡板小孔后的波波速不变,频率相同,所以波长也相同,选项B正确;若将孔AB扩大,将可能不满足发生明显衍射现象的条件,就有可能观察不到明显的衍射现象,选项C正确;若将波源频率增大,由于波速不变,所以波长变小,将可能不满足发生明显衍射现象的条件,就有可能观察不到明显的衍射现象,选项D错误。针对训练2如图所示,正中O是水面上一波源,实、虚线分别表示该时刻相邻的波峰、波谷,A是挡板,B是小孔,经过一段时间,水面上的波形将分布于(　　)A.整个区域　　　　　　B.阴影Ⅰ以外区域C.阴影Ⅱ以外区域 D.阴影Ⅲ以外区域B解析 由题图中可直观看出,半波长为实虚两圆半径之差,且可看出挡板A的尺寸比波长大得多,而小孔B与波长长度差不多。据波发生明显衍射的条件知,该波在挡板A处的衍射现象很不明显,即可认为波沿直线传播,故Ⅰ区内水面无波形,故选项A、C、D错误。该波的波长与小孔B的尺寸差不多,能够发生明显的衍射,故在阴影区Ⅱ、Ⅲ之内明显存在衍射波的波形,故选项B正确。学以致用·随堂检测全达标12341.(2023河南焦作高二开学考试)在水槽中,波源是固定在同一个震动片上的两根细杆,当震动片振动时,细杆周期性击打水面形成两列水面波,波长均为5 cm,这两列波相遇后,在它们的重叠区域会形成如图甲所示的稳定干涉图样。图乙中实线表示某时刻波峰,虚线表示该时刻波谷,A、B、C、D在同一条直线上,其中C点是BD的中点,则下列说法正确的是(　　)A.图乙中C点正向下运动B.图乙中A、B两点的竖直高度差为20 cmC.图乙中A、D两点振动加强,B、E两点振动减弱D.半个周期后,D点的质点位于波谷D解析 D点是波峰和波峰相遇点,B点是波谷和波谷相遇点,C点是BD的中点,所以C点正过平衡位置向上运动,故A错误;由图像可知,A、B、D三点为振动加强点,E点为振动减弱点,A、B两点的振幅均为A'=2A,两者分别处于叠加后的波峰和波谷,所以竖直高度差为2A'=4A,由于不知道振幅的具体值,所以不能确定A、B两点的竖直高度差,故B、C错误;由波动过程可知,半个周期后,原来位于波峰的点位于波谷,原来位于波谷的点位于波峰,故D正确。123412342.某同学观察到波长相同的水波通过两个宽度不同的狭缝时的现象,如图所示,下列说法正确的是(　　)A.水波通过狭缝后波长变短B.这是水波的衍射现象,有些波不能发生衍射现象C.此现象可以说明,波长一定,缝越窄衍射现象越明显D.此现象可以说明,缝宽一定,波长越长衍射现象越明显C解析 波发生衍射后不影响波的特性,即波长和频率不变,A错误;波的衍射是波特有的性质,故所有波都会发生衍射现象,B错误;从图中可知左图衍射现象比较明显,所以波长一定,缝越窄衍射现象越明显,C正确;由于题中给出的是波长相同的情况,无法得出缝宽一定、波长不同时衍射情况,D错误。12343.(多选)如图所示,在均匀介质中,A、B是振动情况完全相同的两个波源,其简谐运动表达式均为x=0.1sin 20πt(m),形成的机械波的波速都是10 m/s。介质中P点与A、B两波源间的距离分别为4 m和5 m。则(　　)A.波的周期为0.1 sB.波的波长为2 mC.P点一定是振动加强点D.P点可能是振动减弱点AC 123412344.两个相干波源发出的两列波分别用不同的同心圆表示,其波峰用实线表示,波谷用虚线表示。某一时刻两列波在空间传播的情况如图所示,在两列波相遇的空间中有M、N、Q、K四点,则振动加强的点是　　 　　,振动减弱的点是　　　　。 M、N、Q　K 解析 当波峰和波峰叠加或波谷和波谷叠加时,振动加强。当波峰和波谷叠加时,振动减弱。在图中M点为波峰和波峰叠加,振动加强;N、Q点为波谷和波谷叠加,振动加强;K点是波峰和波谷叠加,振动减弱。